A computação quântica pode resolver problemas que são difíceis para os sistemas de computador tradicionais. Pode parecer mágica. Um passo para alcançar a computação quântica até se assemelha a um truque de mágico:a levitação. Um novo projeto do Thomas Jefferson National Accelerator Facility do Departamento de Energia dos EUA tentará esse truque levitando uma partícula microscópica em uma cavidade de radiofrequência supercondutora (SRF) para observar fenômenos quânticos.

Normalmente no Jefferson Lab e em outras instalações de aceleradores de partículas, As cavidades SRF permitem estudos do núcleo do átomo. Eles fazem isso acelerando as partículas subatômicas, como elétrons. Este projeto usará o mesmo tipo de cavidade para levitar uma partícula microscópica de metal, entre 1 e 100 micrômetros de diâmetro, com o campo elétrico da cavidade.

"Ninguém jamais suspendeu intencionalmente uma partícula em um campo elétrico no vácuo usando cavidades SRF, "disse Drew Weisenberger, um investigador principal neste projeto, bem como diretor de tecnologia e chefe do Detector de Radiação e Grupo de Imagens na Divisão de Física Nuclear Experimental do Laboratório Jefferson.

Se a equipe do projeto é capaz de levitar uma partícula, eles podem ser capazes de transmitir um estado quântico a ele, resfriando a partícula aprisionada ao seu nível de energia mais baixo possível (porque é quando as propriedades quânticas ocorrem).

"Armazenar informações quânticas em uma nanopartícula levitada é nosso objetivo final, Mas para agora, é um experimento de prova de princípio, "disse Pashupati Dhakal, outro investigador principal do projeto e um cientista da equipe do Jefferson Lab no Accelerator Operations, Divisão de Pesquisa e Desenvolvimento. "Queremos saber se podemos prender e levitar partículas dentro da cavidade usando o campo elétrico."

Explorando o quantum com cavidades do acelerador

A ideia para este projeto veio de observações de especialistas em aceleradores. Eles acham que já levitaram involuntariamente nanopartículas de metal indesejadas e raras, como nióbio e ferro, dentro das cavidades SRF durante as operações do acelerador de partículas. Eles suspeitam que essa levitação não intencional afetou o desempenho dos componentes da cavidade SRF.

Os pesquisadores estão tentando usar uma técnica de várias décadas chamada "captura a laser, "como um passo em direção à transmissão confiável de um estado quântico em uma partícula suspensa em um feixe de laser. Mas, a equipe de projeto do Jefferson Lab acredita que as cavidades SRF podem fornecer uma ferramenta melhor para esses pesquisadores.

"Um campo elétrico pode ir potencialmente além da capacidade de captura a laser, "Weisenberger disse.

As características intrínsecas das cavidades SRF irão superar alguns limites do aprisionamento do laser. Uma partícula levitada em uma cavidade SRF que está sob vácuo e resfriada a temperaturas superfrias irá apenas interagir com o campo elétrico da cavidade e não perder informações para o exterior, o que é importante para manter um estado quântico.

"Como armazenar informações em um chip de computador, o estado quântico vai ficar e não se dissipar, "Weisenberger disse." E isso poderia eventualmente levar a aplicações em computação quântica e comunicações quânticas. "

Este projeto, intitulado "SRF Levitation and Trapping of Nanoparticles Experiment, "é financiado pelo programa Laboratory Directed Research &Development, que fornece recursos para o pessoal do Jefferson Lab fazer contribuições rápidas e significativas para os problemas críticos de ciência e tecnologia relevantes para a missão do Jefferson Lab e do DOE.

Uma abordagem multidisciplinar

O projeto foi concebido e lançado por Rongli Geng em outubro de 2020, antes de ele fazer a transição para o Oak Ridge National Laboratory. Agora mudou para uma equipe maior e mais multidisciplinar liderada por Weisenberger e Dhakal, os atuais co-investigadores principais.

A equipe de Weisenberger pesquisa tecnologia de detector para pesquisas de física nuclear, enquanto o trabalho de Dhakal se concentra no desenvolvimento de cavidades SRF para acelerar elétrons em altas velocidades. Weisenberger diz que a abordagem multidisciplinar reunirá seus conhecimentos à medida que se ramificam juntos para o território menos familiar deste projeto LDRD.

Ambos os investigadores principais observam que o projeto está avançando bem, graças ao empenho e competência de cada membro da equipa. Os membros da equipe incluem John Musson, Frank Marhauser, Haipeng Wang, Wenze Xi, Brian Kross e Jack McKisson.

"É um passo interessante fora das coisas habituais que fazemos, "Weisenberger disse." O programa LDRD libera cientistas e engenheiros do Jefferson Lab em uma questão de pesquisa que não está diretamente relacionada ao que somos realmente contratados para fazer, mas está fazendo uso de todo o conhecimento que trazemos e é um ótimo recurso a ser aproveitado para tentar expandir. É isso que estamos fazendo com este projeto, alongamento."

Construindo e testando

Antes de entregar o projeto ao Weisenberger e Dhakal, Geng e seus colegas determinaram os parâmetros necessários da cavidade e do campo elétrico com simulações e cálculos.

"Temos tudo no papel, mas temos que torná-lo realidade, "Dhakal disse.

A equipe está atualmente configurando o experimento na vida real.

"Temos que ver se o que foi simulado pode realmente acontecer, "Weisenberger disse.

Primeiro, eles vão montar uma maquete do experimento em temperatura ambiente. Então, eles farão circular o hélio líquido ao redor das superfícies externas da cavidade para resfriá-lo a temperaturas supercondutoras próximas do zero absoluto.

Em seguida, vem a parte mais difícil. Eles devem obter uma única partícula microscópica na região correta da cavidade enquanto a cavidade é trancada dentro de um recipiente de contenção em temperaturas supercondutoras, Sob vácuo, e com o campo elétrico ligado.

"Descobrimos uma maneira de lançar remotamente uma partícula na cavidade sob condições experimentais, nós apenas temos que testá-lo agora, "Weisenberger disse." No mundo da pesquisa e desenvolvimento, muitas vezes você não pode fazer o que pensou que poderia fazer. Tentamos e testamos e encontramos problemas, tente resolver os problemas, e continue. "

Este é um projeto de um ano com possibilidade de mais um ano de financiamento, dependendo de como as coisas vão. É também um estágio inicial, prova de projeto de princípio. Se for bem-sucedido no final das contas, ainda haveria um longo caminho de P&D antes que os conceitos pudessem ser aplicados na construção de computadores quânticos. Esses computadores exigiriam levitar e transmitir estados quânticos em dezenas a centenas a milhares de partículas muito menores de forma previsível e confiável.

Ainda, os pesquisadores estão ansiosos para as descobertas que esperam que este estudo permita em relação à levitação microscópica de partículas e observação potencial de um estado quântico.

"Eu sou otimista, "Dhakal disse." De qualquer maneira, vamos descobrir algo. O fracasso faz parte da P&D tanto quanto o sucesso. Você aprende com ambos. Basicamente, se a partícula levita ou não, ou se podemos transmitir o estado quântico a ele ou não, é algo que nunca foi feito antes. É muito desafiador e emocionante. "